永安地震臺數(shù)字地震觀測系統(tǒng)常見故障的分析及排除

全建軍， 張 凱， 劉水蓮， 劉禮誠， 陳美梅， 鄭志泓

（1. 福建省地震局永安地震臺， 福建 永安 366000； 2. 福建省地震局儀器維修中心南平分中心， 福建 南平 353000；3. 福建省地震局漳州地震臺， 福建 漳州 362000； 4.福建省地震局邵武地震臺， 福建 邵武 354000 ）

0 前言

要獲得連續(xù)的原始觀測資料首先要保證儀器正常運行， 因此把儀器的日常維護做好， 確保儀器的穩(wěn)定運行是地震監(jiān)測工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 福建省地震局測震臺網(wǎng)臺站多、 孔徑范圍大， 數(shù)據(jù)傳輸方式多樣， 系統(tǒng)多采用太陽能供電和交流供電相結(jié)合的供電方式， 諸多因素決定了數(shù)字臺網(wǎng)觀測系統(tǒng)的多樣性、 復(fù)雜性， 也使得數(shù)字臺網(wǎng)運維工作需解決許多客觀問題。 本文以永安地震臺為例， 對數(shù)字記錄以來， 觀測系統(tǒng)各環(huán)節(jié)出現(xiàn)的各類問題進行了總結(jié)和分析， 并給出了解決辦法， 希望對今后的工作有所幫助和借鑒。

1 數(shù)字地震觀測系統(tǒng)的組成

永安地震臺建于1971年， 地理坐標： 東經(jīng)117.36°， 北緯25.89°， 高程179 m， 臺址位于永安市下渡路211 號， 距離市區(qū)約2.5 km， 基巖為上侏羅紀晶屑凝灰熔巖， 附近有北東向政和-海豐斷裂帶、 北西向永安-晉江斷裂帶通過， 屬福建省l2個區(qū)域有人值守數(shù)字地震臺之一， 含永安燕西和永安小陶兩個測震子臺[1]。 永安臺數(shù)字觀測系統(tǒng)由CMG-3ESPC 甚寬頻帶地震計、 SLJ-100 加速度型地震計、 GPS 衛(wèi)星授時系統(tǒng)、 EDAS-24GN 數(shù)據(jù)采集器、 太陽能板組、 太陽能控制器、 免維護電瓶、DC12 穩(wěn)壓電源等組成。

永安地震臺數(shù)字地震觀測系統(tǒng)是福建地震局數(shù)字臺網(wǎng)的重要組成部分， 需要實時的將數(shù)據(jù)傳入福建省地震局數(shù)字臺網(wǎng)， 所以永安臺數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選用福建移動公司提供的SDH 通信體系作為主信道， 備用信道采用基于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)構(gòu)建的VPN 隧道。 這種SDH 線路提供不同等級的信息結(jié)構(gòu)針對相應(yīng)的數(shù)字信號傳輸速率， 包含映射法和覆用法， 以及相關(guān)的同步方法共同組成的一個技術(shù)體制， 如果所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都在同一個SDH 網(wǎng)絡(luò)中， 組成廣域網(wǎng)中的局域網(wǎng)將不受地域的限制， 這就實現(xiàn)了 “IP 到臺站”， 避免因通信鏈路中斷導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失， 從而臺網(wǎng)中心的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器可以用“十五” Jopens 軟件登錄到數(shù)采獲取實時數(shù)據(jù)[2]。

電源供電系統(tǒng)是數(shù)字地震臺站觀測系統(tǒng)的一個重要組成部分。 根據(jù)永安數(shù)字地震臺的實際條件， 地震觀測室采用的模式是太陽能供電， 供電系統(tǒng)由4個100AH 免維護電瓶， 8 塊12V、 36W太陽能電池板和太陽能控制器DC-DC12V 穩(wěn)壓電源構(gòu)成， 用來給地震計和數(shù)據(jù)采集器供電。 地震記錄室供電模式采用市電， 市電先通過UPS 不間斷電源， 再接入供給交換機、 光電轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。

由于永安數(shù)字地震臺地處山區(qū)， 一旦遭遇雷電強對流天氣， 雷害頻發(fā)， 不利于儀器設(shè)備的長期安全運行。 永安數(shù)字地震臺多次因近雷感應(yīng)造成數(shù)采內(nèi)部芯片損壞、 存儲數(shù)據(jù)的SD 卡燒毀等儀器故障。 因此要保證儀器安全正常運行， 提高儀器連續(xù)率和觀測質(zhì)量， 臺站的設(shè)備防雷改造十分必要。 永安臺在儀器防雷方面主要采取以下防雷措施：

（1）進行三級防雷改造： 在臺站主供電電源處和分電源處加裝專業(yè)防雷器， 在儀器供電端更換具有防雷功能的插座。

（2）確保儀器主機接地良好， 在儀器室和觀測室附近鋪設(shè)防雷地網(wǎng)， 所有設(shè)備均接入該地網(wǎng)。

（3）儀器室和觀測室內(nèi)所有通信線纜和電源線纜的防雷屏蔽均采用鍍鋅合金套管方式， 金屬管表面要完好的連接和良好的接地。

以目前的雷電防護技術(shù)， 雷擊故障雖然無法完全避免， 但上述防雷措施如果有做好， 將大大減少數(shù)字地震觀測系統(tǒng)遭雷擊的概率， 有利于保證儀器正常的、 長期運行并獲得穩(wěn)定的、 長期的、可靠數(shù)據(jù)[3-4]。

2 記錄出現(xiàn)問題后的快速判定和維修

數(shù)字地震臺站用地震計完成地面運動參量到模擬電壓量的轉(zhuǎn)變， 再利用數(shù)據(jù)采集器將模擬的電壓量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量[5]。 數(shù)據(jù)記錄處理中心發(fā)現(xiàn)記錄出現(xiàn)問題時， 首先要判斷是什么故障。 一般來說， 能在時實監(jiān)控中看到的有2 種故障， 即數(shù)據(jù)中斷和記錄失真。 其次要搞清楚是地震計、 數(shù)據(jù)采集器或數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備出現(xiàn)異常導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷， 還是網(wǎng)絡(luò)傳輸過程出現(xiàn)異常導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷，最后根據(jù)上述的初步故障判定， 確定具體的維修辦法。 根據(jù)儀器類型、 數(shù)據(jù)傳輸方式等的不同，出現(xiàn)異常后判定儀器故障點的方法和思路也不同，永安地震臺儀器維修人員根據(jù)本臺近幾年測震儀器出現(xiàn)的故障種類以及維修經(jīng)驗， 總結(jié)出以下故障快速判定和維修的方法（圖1）。

3 地震觀測系統(tǒng)故障的分析及排除

圖1 永安地震臺測震儀器故障快速判定和維修步驟示意圖Fig.1 The schematic map of fast fault determination and maintenance procedures of the seismic instruments in Yong'an seismic station

數(shù)字地震臺站， 地震計、 數(shù)據(jù)采集器、 交換機、 寬帶通信、 計算機等一起構(gòu)成地震觀測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要的組成部分是集成的， 任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障都會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響， 導(dǎo)致地震數(shù)據(jù)丟失[6]。 現(xiàn)就幾次典型的故障現(xiàn)象為例， 詳細分析和論述幾次故障產(chǎn)生的原因和具體的解決辦法。

3.1 通信故障的分析及排除

2013年9月， 永安小陶臺數(shù)據(jù)中斷， 咨詢當?shù)仉娦啪W(wǎng)絡(luò)部門， 網(wǎng)絡(luò)正常； 到現(xiàn)場用筆記本電腦通過路由器上網(wǎng)， 網(wǎng)絡(luò)正常； 用筆記本電腦連接數(shù)采， 記錄數(shù)據(jù)正常， 用筆記本電腦ping 省局測震臺網(wǎng)中心可以正常ping 通； 但測震臺網(wǎng)中心還是無法接收到波形數(shù)據(jù)， 打電話詢問永安地震臺的值班人員， 告知永安地震臺可以正常收到波形數(shù)據(jù)（圖2）。 數(shù)采正常， 網(wǎng)絡(luò)又通暢， 但測震臺網(wǎng)中心無法接收到波形數(shù)據(jù)， 這種情況永安地震臺儀器維修人員也是首次遇到。 將這種情況與省局信息網(wǎng)絡(luò)室溝通后， 網(wǎng)絡(luò)室的工作人員建議更新省局網(wǎng)絡(luò)交換機ARP 數(shù)據(jù)表， 在完成ARP 數(shù)據(jù)表更新后， 測震臺網(wǎng)中心連接永安小陶臺， 可以正常接收到波形數(shù)據(jù)。

圖2 永安地震臺數(shù)字地震觀測系統(tǒng)通信故障示意圖Fig.2 The schematic map of communication failure of the digital seismic observation system in Yong'an seismic station

故障分析： 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信要通過交換機的ARP 表， 將目標IP 地址轉(zhuǎn)換為網(wǎng)卡的MAC地址， 通常情況下， 交換機會自動更新ARP 表，以訪問新接入的設(shè)備。 筆記本電腦可以訪問省局服務(wù)器， 表明該服務(wù)器的ARP 信息正確； 從永安地震臺可以訪問小陶臺， 說明永安臺交換機已經(jīng)正確更新了儀器ARP 信息； 從測震臺網(wǎng)中心無法訪問小陶臺是因為省局網(wǎng)絡(luò)交換機里還沒有更新該儀器的ARP 信息， 這種情況一般出現(xiàn)在網(wǎng)卡較舊的設(shè)備上。

上述故障也可以用Telnet 遠程登錄數(shù)采（圖3）， 反PING 服務(wù)器或者臺式電腦來解決。 Telnet命令是通過網(wǎng)絡(luò)對EDAS-24IP 進行遠程訪問和控制， 在telnet 環(huán)境下與超級終端環(huán)境一樣支持Linux 大部分命令。

具體操作如下： ①Telnet192.9.100.246 (登錄數(shù)采)； ②Ping192.9.100.96（反PING 服務(wù)器或者臺式電腦）。

圖3 利用Telnet 遠程登入數(shù)據(jù)采集器Fig.3 Using Telnet remote login data acquisition

3.2 擺線短路故障分析及排除

2013年3月， 永安小陶臺數(shù)據(jù)中斷， 咨詢當?shù)仉娦啪W(wǎng)絡(luò)部門， 網(wǎng)絡(luò)正常； 到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)數(shù)采指示燈不亮， 將數(shù)采斷電后重加電， 指示燈亮起，但一分鐘后又熄滅， 更換備用數(shù)采后故障依舊。對地震計進行檢查， 發(fā)現(xiàn)其擺線插頭已發(fā)霉， 試著拔掉擺線插頭， 數(shù)采指示燈正常， 與筆記本連接也正常， 于是將備用的擺線換上， 數(shù)采恢復(fù)工作正常。

故障分析： 永安小陶臺年代久遠， 水泥層破損， 滲水嚴重， 觀測環(huán)境較潮濕， 地震計擺線由于受潮導(dǎo)致短路故障發(fā)生， 從而影響數(shù)采的正常工作。 為了避免此類情況發(fā)生， 應(yīng)定期對數(shù)字地震臺進行巡視， 發(fā)現(xiàn)破損應(yīng)及時修繕， 同時在觀測室可以放些硅膠、 無水氯化鈣進行吸潮。

3.3 數(shù)據(jù)采集器的故障分析及排除

2013年3月， 永安燕西臺數(shù)據(jù)中斷， 詢問燕西臺托管員， 告知斷電后， 數(shù)采IP 顯示為127.0.0.1（通常情況下斷電不會造成數(shù)采IP 改變，有恢復(fù)IP 也應(yīng)是192.168.X.X）， 遠程無法更改。到現(xiàn)場考慮到數(shù)采的IP 有時會莫名恢復(fù)， 所以直接將備用數(shù)采換上并配置上參數(shù)， 但測震臺網(wǎng)中心收到信號時斷時續(xù)， 在本地用筆記本PING 數(shù)采間隔10 s 左右會丟幾個包； 換回老數(shù)采也是如此，判斷可能是系統(tǒng)問題， 格式化CF 卡， 把升級程序復(fù)制到CF 卡， 重新刷機， 數(shù)采恢復(fù)正常。

數(shù)采網(wǎng)口燈接光調(diào)制解調(diào)器不亮或者不停的重啟， 一會滅掉、 一會亮起來， 但接筆記本電腦亮， 這通常是數(shù)采網(wǎng)口匹配不好造成的。 解決辦法： 在數(shù)采和光貓之間加小的網(wǎng)絡(luò)交換機。

3.4 波形異常的故障分析及排除

2012年1月開始， 永安小陶臺數(shù)采記錄的波形時常在UD、 EW、 NS3個分向同時產(chǎn)生一段高頻干擾噪聲， 持續(xù)的時間都不長， 是正常儀器噪聲的好幾倍（圖4）。 根據(jù)以往維修經(jīng)驗判斷， 這種情況一般是沒有良好的接地， 采集數(shù)據(jù)引入50 Hz電源干擾噪聲。 臺站維修人員用導(dǎo)線（地線）將EDAS-24GN 機殼上的螺絲與打入地下的導(dǎo)體相連接， 高頻干擾噪聲消失， 數(shù)采記錄波形恢復(fù)正常。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)地線的可靠接入是防雷與抗干擾的首要保障， 接地質(zhì)量的好壞直接影響采集數(shù)據(jù)的好壞。 合格的地線要滿足兩個條件： ①有獨立架設(shè)的地線， 接地電阻不大于5Ω； ②系統(tǒng)地線分工作地和保護地， 采用單點接地方式。 不能與水管。 鋼筋等土建“地” 連為一體。

3.5 地震計反饋板的故障分析及排除

臺站工作人員用SSDP 分析軟件對波形數(shù)據(jù)進行分析時， 會遇到波形其中一個分向或三個方向都出現(xiàn)大幅度的、 持續(xù)的類似毛刺狀的干擾。 維修人員查看了臺站周圍環(huán)境， 未發(fā)現(xiàn)臺站周圍環(huán)境有明顯變化和干擾源， 儀器的地線也保持良好接地。 通過分析認為是反饋板電路板故障或反饋板接觸不良造成的波形干擾。 關(guān)閉地震計電源后，重新安裝FCU 中出現(xiàn)故障分向的反饋板， 并檢查FCU 機箱與AFU&RC 機箱有無正常的接線。 恢復(fù)地震計供電后， 查看波形如果單分向或三個方向類似毛刺狀的干擾仍存在， 則需要考慮對反饋板進行更換。

圖4 永安地震臺受電源干擾的波形Fig.4 Waveform interfered by power in Yong'an seismic station

3.6 數(shù)據(jù)采集器時間誤差的故障分析及排除

永安數(shù)字地震臺采集的地震數(shù)據(jù)， 有時發(fā)震時刻會存在一定的偏差， 其根本原因是長時間的GPS 不對鐘， 同時生成一個 “1970010100.000” 的文件。 解決辦法是： 關(guān)閉數(shù)據(jù)采集器的電源， 10分鐘后重新對數(shù)采進行加電。 有時需要把數(shù)采打開， 將數(shù)采內(nèi)電池進行徹底放電。 如果上述方法GPS 還是無法自動校正時間， 還可以利用EDSPGN-SMS2006 專業(yè)軟件把數(shù)據(jù)采集器設(shè)置成為PC機時間。 連接數(shù)采LAN 口然后對數(shù)采的時間進行校對， LAN 口為網(wǎng)絡(luò)接口， 通過該接口可以獲取數(shù)采內(nèi)部記錄數(shù)據(jù)和修改數(shù)采內(nèi)部參數(shù)文件。 具體操作方法： 選中 “網(wǎng)絡(luò)”， 在地址欄輸入數(shù)采中的IP 地址， 由于數(shù)采端口默認是5000， 在此端口欄也填5000。 用戶名填數(shù)采默認的root， 密碼填arcal00， 在主動發(fā)送方式選擇打勾。 上述參數(shù)完成設(shè)置后， 點擊 “添加” 后， 再選擇 “連接”（圖5）。 如果以上方法還是無法完成對鐘， 那就要考慮更換GPS 接收天線或是更換數(shù)據(jù)采集器。

圖5 將數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為計算機時間Fig.5 Set he data collector for computer time

3.7 供電系統(tǒng)的故障分析及排除

（1）交直流穩(wěn)壓電源的故障。 交直流穩(wěn)壓電源上有直流電壓輸入顯示、 充電電壓顯示、 電流顯示和電壓輸出顯示。 ①如果有直流電壓輸入及充電電壓顯示（正常應(yīng)該在12.8 V 左右）， 無電壓輸出顯示和電流顯示(永安數(shù)字地震臺正常的供電電流應(yīng)該在1.0～1.2 A) 這說明交直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓模塊已損壞， 需要將交直流穩(wěn)壓電源進行更換。 ②如果有顯示電壓輸出， 無電流輸出， 遇到這種情況要檢查下負載連線， 因為有接負載才有電流輸出[6]。

（2）如果白天實時記錄波形正常， 一到晚上就中斷， 這種情況一般是供電不足引起的， 應(yīng)對供電設(shè)備進行檢查。

（3）每天安排托管員檢查UPS、 數(shù)據(jù)采集器及MODEM 等各指示燈工作情況。

4 結(jié)語

文中分析了永安地震臺數(shù)字地震觀測系統(tǒng)各部分的功能， 在此基礎(chǔ)上給出了快速判定和解決各種儀器故障的思路、 步驟和具體的解決方法。同時結(jié)合近幾年的儀器維護經(jīng)驗， 論述了幾次典型故障產(chǎn)生的原因和解決方法， 希望能給同類臺站提供一些可借鑒的經(jīng)驗。

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